中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預(yù)警與評價、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
馮東明博士
對于大型工程、基礎(chǔ)建設(shè)項目，沒聽說是建設(shè)完成就了事的?？⒐ぶ笮枰蛇\維部門對結(jié)構(gòu)進(jìn)行長期的檢測和維護(hù)，以確保結(jié)構(gòu)物在相當(dāng)長的服役期內(nèi)處于安全、穩(wěn)定的工作狀態(tài)。
目前最常使用的維護(hù)方法，還是靠肉眼的人工巡檢。這種方式效率低下，關(guān)鍵還效果有限，且工程經(jīng)驗告訴我們依靠工作人員責(zé)任心和職業(yè)素養(yǎng)來完成的工作通常沒有機(jī)器自動獲取的數(shù)據(jù)更靠譜。于是全世界的科學(xué)家開始就研發(fā)基于無損評估(Nondestructive evaluation , NDE) 的結(jié)構(gòu)檢測與監(jiān)測技術(shù)，投入了大量的精力。但與實驗室條件不同，需要進(jìn)行健康監(jiān)測的結(jié)構(gòu)往往都具有體量大，所處環(huán)境復(fù)雜等特點，這給需要通過局部觀測來反映結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)的工作帶來很大挑戰(zhàn)。
近20年來，研究熱點開始轉(zhuǎn)向基于針對結(jié)構(gòu)損傷探測以及基于傳感器探測(尤其是加速度傳感器)的結(jié)構(gòu)完整性測定，例如通過基于頻域模態(tài)特性的變化，如自振頻率、振型、彎曲曲率、模態(tài)彈性及其導(dǎo)數(shù)，模態(tài)應(yīng)變能、頻率響應(yīng)函數(shù)等，來進(jìn)行損傷探測——這樣做的確可以實現(xiàn)監(jiān)測的自動化，省去了人工，但依然難以推廣——因為傳感器系統(tǒng)的安裝非常復(fù)雜和耗時，硬件成本昂貴，以及傳感器網(wǎng)絡(luò)在結(jié)構(gòu)服役期間的長期維護(hù)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的建立，這些都不是輕松的工作。于是只能在一些經(jīng)費寬裕的項目上采用，且這整套系統(tǒng)的“項目之間可遷移性”往往不高，到另一個項目上還需要把工作重來一遍。
為了克服這些局限，研究者們開始尋找其他更好的解決方案，包括：
視覺傳感系統(tǒng)——本文從這里展開
視覺傳感系統(tǒng)(vision sensor systems)是一種由攝像機(jī)、視覺傳感器( computer vision-based sensors，或簡稱為 vision sensor)為主要組成部件，以計算機(jī)圖像識別與跟蹤算法為核心的，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行遠(yuǎn)距離、非接觸、無損傷監(jiān)測的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。
和現(xiàn)有的各種結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)相比，視覺傳感系統(tǒng)的優(yōu)勢如下：
1.與結(jié)構(gòu)加速度傳感系統(tǒng)相比。視覺傳感系統(tǒng)可直接對結(jié)構(gòu)整體位移進(jìn)行實測，而相對于由許多(通常也不是很多)局部測點組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)的整體位移更直接地反應(yīng)了結(jié)構(gòu)總體剛度的變化，因此可以更準(zhǔn)確地反應(yīng)結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)；
2.與傳統(tǒng)的接觸型位移傳感器相比。傳統(tǒng)的接觸型位移傳感器，如線性可變差動變壓器 (linear variable differential transducer , LVDT)，需要一個不動的基準(zhǔn)點，這在實際結(jié)構(gòu)中很難做到。尤其在量測主梁跨中撓度的時候，長期在梁下假設(shè)一個架子基本是不可能實現(xiàn)的任務(wù)。視覺傳感系統(tǒng)就可以規(guī)避這個問題，通過攝像機(jī)的鏡頭和計算機(jī)圖像處理算法，利用非接觸的視覺傳感器技術(shù)進(jìn)行位移量測，可以完美解決“找不到安裝傳感器的固定點”這個問題；
3.與傳統(tǒng)傳感器相比，視覺傳感系統(tǒng)不需要大量時間用于傳感器的安裝，其安裝成本相對也很低。視覺傳感器不需要與結(jié)構(gòu)物的物理接觸，可以遠(yuǎn)程控制，可節(jié)約時間和器材成本，尤其對于橋梁而言，安裝的時候不需要交通管制；
4.與GPS相比，視覺傳感器雖然也需要在結(jié)構(gòu)物上安裝標(biāo)靶，但其監(jiān)測精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比GPS(誤差5~10mm)高多了；
5.與非接觸的激光測振儀相比，測試儀器可以安放得更遠(yuǎn)，甚可以達(dá)到幾百米之外，同樣達(dá)到想要的精度；
6.對于傳統(tǒng)的傳感器而言，視覺傳感器可以是非接觸分布傳感器技術(shù)，同時在很長的距離上跟蹤多個變化的目標(biāo)，獲取同步數(shù)據(jù)。
目前，視覺傳感器系統(tǒng)在實驗室和實際工程中都得到了驗證，這個系統(tǒng)的核心是數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)(Digital Image Correlation，DIC) ，這是一種基于灰度數(shù)字圖像的全視野圖像分析方法，可以在三維空間中確定物體的輪廓和位移。
有了這個利器，就可以在力學(xué)試驗中，將拍攝圖像中的構(gòu)件物理位移轉(zhuǎn)變?yōu)橄袼丶?、亞像素級別的應(yīng)變。研究者通常將帶有人工斑塊圖案或其他紋理的圖案安裝到構(gòu)件表面來提高視覺識別的精度，基于由圖像得到的構(gòu)件應(yīng)變場，可以量測并計算出多種結(jié)構(gòu)參數(shù)，如：楊氏模量、泊松比、應(yīng)力強度因子、殘余應(yīng)力、熱膨脹系數(shù)等等。
在結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測應(yīng)用中，結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型可以方便地從一個或多個鏡頭實測的位移計算得到。
傳感器系統(tǒng)通常包括一個或多個攝像機(jī)，長焦鏡頭和計算機(jī)，如果有在夜間進(jìn)行監(jiān)測的需求，就還需要安裝燈具器材。
詳細(xì)地，可把視覺傳感系統(tǒng)的組成分為以下幾個部分：
1.攝像機(jī)。攝像機(jī)通常安放在較遠(yuǎn)的地方，因此需要使用長焦鏡頭。機(jī)身用三腳架固定，在無視線遮擋的遠(yuǎn)處，且攝像機(jī)需要與進(jìn)行圖像處理的計算機(jī)進(jìn)行連接，攝像機(jī)的常用配件見下表：
2.標(biāo)靶。標(biāo)靶指的是用攝像機(jī)捕捉圖像用的參照物，可以在結(jié)構(gòu)上設(shè)置一個或多個，任何結(jié)構(gòu)物上的自然物體都可以當(dāng)作標(biāo)靶，但為了達(dá)到視覺識別精度的要求，需要在捕捉到的圖像中標(biāo)靶與周圍環(huán)境有明顯的區(qū)分，對比度強烈。因此通常會安裝人造的，紋理清晰的黑白紋理板，如圖中的這種：
3.計算機(jī)與圖像處理軟件。如果使用的圖像軟件具有實時處理能力，這需要將計算機(jī)與攝像機(jī)相連，被量測的位移時變曲線就會在電腦屏幕中實時自動顯示，否則，圖像就會存儲在攝像機(jī)或電腦中以備以后處理，如下面的軟件界面：
圖像處理軟件需要實現(xiàn)幾個核心功能，包括：
利用模板匹配算法(template matching algorithm) ，與子像素技術(shù)結(jié)合，從圖像(尤其是動態(tài)圖像)中提取到與結(jié)構(gòu)匹配的位移，從而實現(xiàn)對標(biāo)靶目標(biāo)的實時跟蹤。為了減少計算時間，可將每個視頻幀的某個預(yù)定區(qū)域(部分圖像)作為搜索目標(biāo)，如圖：
坐標(biāo)變換算法。為了從捕捉到的圖像中得到目標(biāo)的物理位移，實際結(jié)構(gòu)的坐標(biāo)系與圖像像素級別的坐標(biāo)系之間的關(guān)系需要建立：
上圖中就是一個完整的視覺傳感系統(tǒng)，以后我們再遇到類似的場景，便會想到除了拍攝橋梁美景的攝影師之外，還可能是東明兄正在海風(fēng)中苦苦地搜集數(shù)據(jù)呢
盡管視覺傳感系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用算是剛剛起步，但已經(jīng)有了不少可喜的嘗試：
結(jié)構(gòu)模態(tài)特性識別：結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測通常都是通過振動測量來進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)屬性識別的，然而利用拾振器開展的測量，只能在結(jié)構(gòu)上布置為數(shù)不多的測點，而視覺傳感系統(tǒng)則可以實現(xiàn)用一套攝像機(jī)設(shè)備同時監(jiān)測結(jié)構(gòu)上多個點的振動行為，從而在模態(tài)識別方面得到更精確、更符合實際結(jié)構(gòu)情況的結(jié)果。
模型更新和損傷檢測：通過視覺傳感系統(tǒng)，可以采集結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型、阻尼比等參數(shù)，用于結(jié)構(gòu)的有限元模型的更新，進(jìn)而進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷的模擬和識別。
預(yù)測索力：對于采用拉索為主要受力構(gòu)件的斜拉橋來說，索力的準(zhǔn)確測量非常重要。傳統(tǒng)的索力測量方法是采用基于振動原理的索力儀，這種設(shè)備安裝繁瑣，價格昂貴，而且并不是每次測試都能達(dá)到理想的精度。然而采用視覺傳感系統(tǒng)，則可以顯著降低量測系統(tǒng)的成本。
除了結(jié)構(gòu)位移遠(yuǎn)程監(jiān)測以及上述的幾個應(yīng)用之外，視覺傳感系統(tǒng)還在這些領(lǐng)域有不小的應(yīng)用潛力：
監(jiān)測交通運輸基礎(chǔ)設(shè)施中的軌道交通車輛的運行情況；
搜集橋梁運營期間車輛荷載的作用(車輛類型與流量等信息)；
橋梁荷載試驗；
在無需于橋上安裝稱量設(shè)備的條件下，建立車輛稱重系統(tǒng)；
橋梁裂縫自動檢測系統(tǒng)
馮東明博士在介紹了視覺傳感系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，還對其中的一些細(xì)節(jié)進(jìn)行了探討和總結(jié)，例如：
圖像跟蹤和處理的計算機(jī)算法如何實現(xiàn)；
像素級和子像素級解決方案對計算精度的貢獻(xiàn)；
單點與多點監(jiān)測的實現(xiàn)方式；
坐標(biāo)變換與比例因子法的應(yīng)用；
2D測量與3D測量的不同選擇；
人工標(biāo)靶與自然標(biāo)靶的實際差異；
實時監(jiān)測算法的技術(shù)實現(xiàn)；
